一文读懂：工业机器人中的关键传感技术

作者：Doctor M

工业机器人是一种能自动执行任务的机械装置，它可以响应人类指令，运行预先编制的应用程序。那些大型和重型机器人，常常被放置在工业厂房内的固定位置，工人们的任务和生产过程基本围绕着它们展开。这是因为，工业机器人能有效减轻恶劣环境对生产和制造过程的影响，帮助企业降低生产成本，提高生产效率，同时确保产品的质量。优化生产线，使其更加灵活并适应每个客户的特定需求是工业机器人的主要目标。

如今，不仅仅是大公司装配了大量的工业机器人，越来越多的中小企业通过引入工业机器人实现了生产成本的降低，盈利能力大幅增强。因此，作为智能工厂的主要支柱之一，在短短几十年内，工业机器人的普及率得到迅速提升。

什么是工业机器人？

近年来，有关工业机器人系统的定义有了很大发展。根据国际标准ISO 8373:2012的定义，工业机器人是“一种多功能、可重编程、自动控制的机械手，可在三个或更多轴上编程，可固定在一个区域或移动用于工业自动化应用”。

工业机器人在外形上通常不是类人机器人，尽管它们能够再现人类的运动和行为，但具有机器的力量、精度和速度。在制造业中，我们认为工业机器人是一种能够以高精度执行制造操作所需的危险或重复任务的劳动力。

1961年，第一个工业机器人Unimate加入了位于美国新泽西州尤因镇的通用汽车工厂的装配线，实际上它是一个自动压铸模具，在工作中需要将热的车门把手和其他汽车零件放到生产线上的冷却桶中，接下来再将这些零件运到工人那里进行最终的精加工和抛光。从国际机器人联合会（International Federation of Robotics）的统计数据中可以看出，自2010年以来，汽车行业一直是工业机器人的最重要客户。

根据Markets and Markets的最新数据，工业机器人市场预计将从2022年的157亿美元增长到2027年的308亿美元；在预测期内，预计复合年增长率将达到14.3%。从应用角度看，汽车行业中的工业机器人有着很高应用率，例如在装配线中移动车身以及安装机械和电子部件等，这也是工业机器人市场持续发展的主要推动力。2022年，搬运应用占据了工业机器人市场的最大份额。由于末端执行器（EOAT）可以与铰接式机器人集成，因此，预计2022年铰接机器人将在传统工业机器人市场上占据较大份额。图1显示了近些年移动机器人安装量的演变以及对未来市场的预测。

图1：2015年—2020年工业机器人年度安装量以及2021年—2024年度发展展望（图源：2021世界机器人技术报告）

从技术角度看，工业机器人的进一步发展是由可与人类安全操作的协作机器人的引入所推动的。过去，出于安全考虑，机器人大多被限制在笼子或封闭环境中，以避免与人类一起工作时发生碰撞事故。现在的机器人因装备了大量传感器和软材料，同时具备了深度学习能力，其安全性得到很大改善。加之协作机器人通常也比以前的机器人更轻、更易移动、成本也更低，因此该产品一经问世即得到用户的认可。根据权威机构的预测，全球协作机器人市场预计将从2018年的7.1亿美元增长到2025年的123亿美元。届时，协作机器人将占所有工业机器人的35%左右，高于2018年的11%。

工业机器人类型

目前，工业制造业主要有五种类型的机器人，即：铰接式机器人、Delta机器人、SCARA机器人、笛卡尔机器人和协作机器人，其中最常见的是铰接式机器人。

· 铰接式机器人：有2—10个（或更多）的关节，通过扭转关节与底座相连，通常拥有四到六个自由度，具有大范围或大尺寸、有效载荷能力。FANUC Lr Mate 200id就是一个六轴铰接式机器人。
· Delta机器人：也被称为三角式机器人，在工业机器人中属于并联式机器人。Delta机器人采用独特的平行连杆臂设计，重量轻，速度快到令人难以置信。
· SCARA机器人：采用柔顺关节机械臂（SCARA）设计，有两个平行旋转关节，可在单个平面上操作，专门用于横向运动。
· 笛卡尔机器人：使用笛卡尔坐标系（X、Y和Z）在三个线性轴上工作，这意味着它们将使用三个滑动关节上下、内外和左右移动。笛卡尔机器人是常用的一种工业机器人，通常用于数控机床或3D打印。
· 协作机器人：拥有先进的安全功能，可直接进行人机交互。

汽车、电子、航空航天、食品和医疗行业是工业机器人目前最主要的应用领域，随着技术的进步，工业机器人能够在从简单到复杂的过程中进行大批量到小批量的生产，如弧焊、点焊、组装、码垛、材料移除、检查、材料处理和包装，这些都是其最常见的应用。ABB集团、FANUC、川崎重工、KUKA、三菱电气、罗克韦尔、Robert Bosch、西门子和安川电气等是市场上的主要工业机器人提供商。

四种关键传感器技术

工业机器人由五个主要部件组成：控制器、传感器、机械手、末端执行器和驱动器。传感器技术是工业机器人最关键的应用科学之一，它使机器人能够像人类一样导航和检测环境变化，并在棘手的情况下做出准确的决策。对于机器人而言，特别是在工业自动化中，传感器必须正确地提供关键数据，才能实现相关的复杂程序。为了确保工业自动化过程中的合理控制和操作，工业机器人采用了大量的传感器。例如，协作机器人因配备了扭矩传感器和摄像头，使它们不仅拥有更广阔的视野，而且还能确保工作场所的安全。那么，工业机器人中究竟包括哪些传感器技术呢？

随着新技术的不断涌现，传感器在机器人上的使用不断增加。工业机器人中最常用的传感器包括2D传感器、3D传感器、力/扭矩传感器和碰撞检测传感器等四种。

· 2D传感器

是一种可以检测移动物体并定位传送带上被放置的部件的摄像头，这些智能摄像头可以帮助机器人迅速确定部件的位置，然后机器人再根据获得的信息在移动过程中做出相应的调整。Intel RealSense™ 深度摄像头D455是该公司D400系列摄像头的第四代产品，它将深度传感器之间的距离增加到95毫米，从而将深度精度提升到4米时小于2%的水平。该摄像头还集成了一个惯性测量单元 (IMU)，以便于应用程序在摄像头移动的任何情况下提高深度感知能力。采用该摄像头的机器人或无人机的环境感知能力也会得到有效提升。

图2：Intel RealSenseTM 深度摄像头D455（图源：Intel）

· 3D传感器

在机器人中，3D传感器可用于导航系统，帮助机器人定位和跟踪相对于环境的位置；也可用于运动跟踪系统，以跟踪机器人和其他物体的运动，帮助控制机器人的移动；还可用于目标检测，识别和跟踪环境中的对象，躲避碰撞；或者被用于卸货和码垛系统，以检测和定位物体。

飞行时间（ToF）传感器是一种用于测量距离的LiDAR传感器，是最精确的3D传感器类型，非常适合对定位有较高要求的工业机器人应用。意法半导体（ST）的ToF传感器是一体化（发射器、接收器和处理器）系统，具有简单易用、经济划算和体积小等特点。其新一代产品VL53L5CX是一款通用多区测距FlightSense ToF传感器，在一个小型封装内集成了SPAD阵列、物理红外滤波片、衍射光学元件 (DOE)，适合各种室内光线环境，可为多目标检测应用提供多达64个测距区，每区最长测量距离达4米。得益于ST的直方图专利算法，VL53L5CX能够以最高60Hz的距离信息范围检测视野内的不同物体。更重要的是，VL53L5CX还集成了低功耗MCU，可实现智能测距。

图3：ST多区测距FlightSense ToF传感器VL53L5CX（图源：ST）

· 力/扭矩传感器（Force/Torque Sensors）

如果说2D/3D传感器为机器人提供了明亮的眼睛，那么，力/扭矩传感器则为机器人提供了灵敏的触觉。在大多数情况下，力/扭矩传感器被放置在机器人和夹具之间，从而使得机器人能够监测反馈给夹具的各种力。安装在机器人上的小型数字力传感器有助于提高生产率并减少停机时间。霍尼韦尔的MicroForce FMA系列触力传感器具有数字输出、多种触力传感范围、尺寸小巧，以及增强的耐用性和更高精度等诸多优势。

· 碰撞检测传感器（Collision Detection Sensors）

碰撞检测技术可以大幅提高机器人的操作安全性。该技术涉及触觉传感器和软件的组合。接触传感器和力传感器是两种用于碰撞检测的触觉传感器，这些传感器为机器人提供了在生产车间安全工作的屏障，它们可以被集成在机器人手腕和EOAT之间。大多数协作机器人都通过机械臂配备接触传感器。FANUC CR-7ia的接触传感器能够确保地机器人在人类周围安全运行。

根据Technavio的预测，从2020年到2025年，工业机器人传感器市场规模预计将增加17亿美元，复合年增长率达到7.76%。在预测期内，62%的市场增长将来自亚太地区，其中，中国和日本是亚太地区工业机器人传感器市场的主要贡献者。

图4：2020年—2025年工业机器人传感器市场规模（图源：Technavio）

工业机器人的未来

根据Interact Analysis 的分析，2017年是工业机器人行业的好年景，收入增长了20%。但自2018年起，工业机器人技术的最大使用者——汽车行业，消费需求疲软。受此影响，工业机器人市场下滑，2019年—2020年这两年，收入减少了10%。2021年，工业机器人市场出现了反弹，出货量同比增长31.9%，在此过程中，中国市场做出很大贡献，在亚洲的工业机器人发货量中占到52.5%。

劳动力成本的持续增长、机器人价格的持续下降、从大规模生产转向半定制生产的趋势、对更短更快产品周期以及进一步提高生产效率和产品质量的需求，这些都将成为进一步推动工业机器人大规模采用的驱动力。Research and Markets的分析表明，机器人技术的市场增长前景十分乐观，在汽车、电气和电子、建筑、医疗和国防领域，机器人技术具有巨大的增长潜力，预计全球机器人市场将从2021年的558亿美元增长到2026年的918亿美元，在2021-2026年的预测期内，复合年增长率为10.5%。从细分市场看，全球工业机器人市场预计将从2021年的280亿美元增长到2026年的422亿美元，复合年增长率为8.6%。

过去，机器人被要求执行非常具体的任务，通常在固定的位置。今天，随着传感技术的引入，工业机器人的外形和功能，以及协作应用能力得到了迅速提升。传感器的应用使得它们能够在有人的环境中安全工作，并记录有关的环境信息。为此，我们还能同步收集制造过程中每个步骤的数据，以实现完全的可追溯性和详细的数据分析，为未来做出更好的决策提供保障。

作为自动化生产过程中的关键参与者，工业机器人直接影响着行业的自动化水平。随着工业产品的复杂性和精度不断提高，对机器人的要求也会越来越复杂和苛刻。以低成本提供高质量产品是阻碍工业机器人传感器市场增长的关键挑战之一。目前来看，机器人传感技术已经从简单的光电和触摸开关发展到高级触觉、声音和视觉传感器，随着新兴传感技术和产品的出现，机器人将被赋予更多的感知能力。